王明旭楊建新

(1.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045;2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

煉鋼技術(shù)可持續(xù)評價(jià)與鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展*

王明旭1楊建新2

(1.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045;2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

目前世界上的煉鋼流程主要分為兩種:一是以鐵礦石為主要原料的高爐轉(zhuǎn)爐長流程，二是以廢鋼為主要原料的電爐短流程。本文從可持續(xù)技術(shù)評價(jià)的角度，對轉(zhuǎn)爐和電爐煉鋼技術(shù)的可持續(xù)性進(jìn)行了對比分析，評價(jià)結(jié)果表明，電爐煉鋼技術(shù)的可持續(xù)度要顯著高于轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)。因此，發(fā)展電爐煉鋼技術(shù)對我國鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。進(jìn)而分析了我國發(fā)展電爐煉鋼的制約因素，并提出了大力發(fā)展電爐煉鋼技術(shù)的政策建議，推進(jìn)鋼鐵工業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

電爐煉鋼;評價(jià);可持續(xù)性

隨著可持續(xù)發(fā)展思想在全球的普及和應(yīng)用的推進(jìn)，可持續(xù)技術(shù)的評價(jià)和篩選成為一個新的研究焦點(diǎn)。可持續(xù)技術(shù)貫穿產(chǎn)品生命周期的全過程，包括源頭預(yù)防，過程控制，末端治理以及循環(huán)再利用，同時是涉及單個企業(yè)，多企業(yè)、部門的聯(lián)合，以及整個自然—社會—經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)的多層次技術(shù)［1］。鋼鐵行業(yè)一直是高耗能、高污染產(chǎn)業(yè)，并且在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位，本文從可持續(xù)技術(shù)評價(jià)的角度對煉鋼技術(shù)進(jìn)行了比較分析，在此基礎(chǔ)上探討了促進(jìn)我國鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的煉鋼模式。

1 煉鋼技術(shù)的可持續(xù)性評價(jià)

1.1 評價(jià)目標(biāo)

目前世界上的鋼鐵生產(chǎn)主要有兩種流程，一種是以鐵礦石為主要原料的高爐轉(zhuǎn)爐長流程，二是以廢鋼為主要原料的電爐短流程，即“從礦石到鋼材”和“從廢鋼到鋼材”兩大流程。2006年的數(shù)據(jù)顯示，世界轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)量為8.14億噸，占世界總鋼產(chǎn)量的32%;其中，中國的電爐鋼比例為10%。

本文選取兩種煉鋼技術(shù)(轉(zhuǎn)爐煉鋼和電爐煉鋼)作為評價(jià)對象。其中，轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)流程包括燒結(jié)、焦化—煉鐵—轉(zhuǎn)爐煉鋼—鑄鋼—軋鋼，其金屬原材料主要是鐵礦石，因此其流程可以概括為“從礦石到鋼材”;電爐煉鋼技術(shù)主要消耗的廢鋼原材料，考慮到在中國還沒有實(shí)現(xiàn)全廢鋼的電爐煉鋼模式，以“70%的廢鋼+30%生鐵片”作為電爐煉鋼流程的冷料，因此電爐煉鋼技術(shù)流程主要是“從廢鋼到鋼材”。對其中的30%生鐵片，考慮了其從鐵礦石到生鐵片(燒結(jié)、焦化—煉鐵)過程中的經(jīng)濟(jì)成本，但并未對其分配環(huán)境負(fù)荷。

表1 煉鋼技術(shù)的可持續(xù)性評價(jià)指標(biāo)

1.2 評價(jià)指標(biāo)

從可持續(xù)發(fā)展的角度，為了綜合考慮鋼鐵技術(shù)流程的經(jīng)濟(jì)—環(huán)境—社會效益，在參考鋼鐵行業(yè)清潔生產(chǎn)評價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立了綜合評價(jià)兩種煉鋼技術(shù)的指標(biāo)，分為四個方面:經(jīng)濟(jì)成本、資源與能源消耗、環(huán)境影響、生產(chǎn)與綜合利用效率;每一個方面再下設(shè)若干子指標(biāo)。

1.3 TOPSIS評價(jià)模型

Topsis是指“逼近理想點(diǎn)的排序方法”(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)，是Hwang和Yoon于1981年提出的一種用于對多指標(biāo)和多對象進(jìn)行綜合比較評判的統(tǒng)計(jì)方法［2，3］。通過確定各指標(biāo)在評價(jià)對象中的最優(yōu)值和最劣值，然后求得方案的正理想值與負(fù)理想值(最不理想值)，并比較各方案與其的接近程度。其評價(jià)步驟如下:

1.4 評價(jià)過程

1.4.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

將15個評價(jià)指標(biāo)分別記為R1，R2，……R15(R1表示投資成本，R15表示冶煉周期)，對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:

對極大型指標(biāo)，令Xij=

對極小型指標(biāo)，令Xij=

其中，Rij為第i種技術(shù)的第j項(xiàng)指標(biāo)值，Xij為其標(biāo)準(zhǔn)化之后的指標(biāo)值為技術(shù)的第j項(xiàng)指標(biāo)的平均值。

1.4.2 指標(biāo)權(quán)重的確立

多指標(biāo)綜合評價(jià)的權(quán)重確定有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法有專家打分法、Dephi法和層次分析法等［9］?？陀^賦權(quán)法有熵權(quán)法、標(biāo)準(zhǔn)離差法、CRITIC法等［10，11］。

由于主觀賦權(quán)法帶有很強(qiáng)的主觀性，缺乏理論基礎(chǔ);而客觀賦權(quán)法又完全依賴數(shù)據(jù)本身質(zhì)量特性，完全忽略了指標(biāo)本身的相對重要性，在數(shù)據(jù)不充分或數(shù)據(jù)的各指標(biāo)值分布不平衡時不適宜采用客觀賦權(quán)法。

Birgitte Hoffmann認(rèn)為，沒有一種技術(shù)本身是可持續(xù)的，所謂“最優(yōu)的”技術(shù)方案取決于當(dāng)?shù)氐谋尘昂蛯?shí)際情況［12］。因此，對于不同的地點(diǎn)，各指標(biāo)對當(dāng)?shù)氐闹匾允遣灰粯拥?。比如，在水資源匱乏的地方，可能會優(yōu)先選擇節(jié)水性能好的技術(shù)方案;而能量供應(yīng)緊缺的地區(qū)會對低耗能的技術(shù)更感興趣;而在經(jīng)濟(jì)落后，資本缺乏的地區(qū)會對經(jīng)濟(jì)效益給予較大的權(quán)重。但是，從總體上或者從全球更普遍的視角來看，或許沒有哪一個指標(biāo)顯得比另外一個指標(biāo)重要。因?yàn)椋绻狈σ粋€宏觀經(jīng)濟(jì)背景和社會文化狀況，也就無法判斷各指標(biāo)的相對重要性。基于這一點(diǎn)，我們采用等權(quán)重的賦權(quán)方法，對選取的15個指標(biāo)的每個指標(biāo)賦權(quán)1/15。

1.4.3 確立理想值向量

在本評價(jià)中，每個指標(biāo)對應(yīng)電爐和轉(zhuǎn)爐兩個數(shù)值，以每個指標(biāo)對應(yīng)的最大值組成正理想值向量，每個指標(biāo)對應(yīng)的最小值組成負(fù)理想值向量。根據(jù)計(jì)算，正理想值向量與負(fù)理想值向量分別為:

Z+=(0.097，0.079，0.068，0.091，0.070，0.080，0.106，0.117，0.137，0.077，0.122，0.068，0.067，0.070，0.093).

Z－=(0.051，0.057，0.065，0.052，0.064，0.057，0.049，0.047，0.044，0.059，0.046，0.065，0.067，0.063，0.052).

1.5 評價(jià)結(jié)果

依據(jù)TOPSIS模型計(jì)算步驟，最后根據(jù)(式2－7)求得轉(zhuǎn)爐煉鋼流程與電爐煉鋼與理想值的接近程度分別為0.36和0.64，或者說轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)流程的可持續(xù)度為0.36，而電爐煉鋼技術(shù)流程的可持續(xù)度為0.64，由此可見電爐煉鋼的短流程的可持續(xù)度遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)爐。這一評價(jià)結(jié)果也與徐匡迪［7］、傅杰［13］等人的觀點(diǎn)相吻合。

需要說明的是，由于電爐主要消耗的金屬料是廢鋼，屬于循環(huán)再利用的物質(zhì)，而轉(zhuǎn)爐主要消耗的金屬料是鐵礦石;這兩種材料本質(zhì)上是有差別的，但是對于廢鋼的環(huán)境負(fù)擔(dān)涉及到生命周期分配(allocation)的問題，由于這一問題目前存在較大爭議，故本評價(jià)中沒有考慮這一問題。初步估計(jì)，如果在評價(jià)時考慮這兩種材料的差別，可能會進(jìn)一步拉大電爐與轉(zhuǎn)爐煉鋼的可持續(xù)度的差距(因?yàn)閺U鋼是循環(huán)再利用的材料，而鐵礦石是初級礦石資源)。

2 世界與我國電爐煉鋼狀況分析

2.1 世界與我國電爐鋼比例

從過去十年的情況來看，世界電爐鋼的比例較穩(wěn)定，約為33%左右，但是歐美發(fā)達(dá)國家、印度、韓國的電爐鋼的比例一直呈現(xiàn)上升趨勢:美國的電爐鋼比例從1995年的39%上升到2006年的57%，印度的電爐鋼比例則從30%上升為50%。這表明世界主要發(fā)達(dá)國家把發(fā)展電爐煉鋼作為實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

但是，過去十多年來，中國的電爐鋼比例趨勢卻出現(xiàn)不升反降的局面，從1995年的20%下降到2006年的10%。

2.2 我國發(fā)展電爐煉鋼存在的主要問題

對于我國電爐煉鋼比例不斷下降的問題，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為我國發(fā)展電爐煉鋼存在兩個主要的客觀原因:其一是我國廢鋼資源短缺，其二是電力短缺。

圖1 1995－2006世界主要國家的電爐鋼比例

2.2.1 廢鋼資源短缺

自20世紀(jì)90年代以后，隨著我國鋼鐵產(chǎn)量的快速增長，我國廢鋼供應(yīng)量出現(xiàn)缺口，進(jìn)口量不斷上升。數(shù)據(jù)顯示，我國廢鋼的進(jìn)口量在1990年為12萬噸，但是這一數(shù)字在2004年增長到1022萬噸。徐匡迪［7］認(rèn)為，我國廢鋼資源短缺的局面還將持續(xù)一段時間，主要原因是:①在鋼產(chǎn)量持續(xù)高速增長的情況下，廢鋼資源必然出現(xiàn)短缺;②我國廢鋼積蓄量不足，20世紀(jì)以來我國廢鋼的總積蓄量約為21億噸，不到美國的1/3;③我國的廢鋼中以長材為主，其中大多數(shù)是回收周期很長的建筑材。

表2 廢鋼回收周期［7］

雖然受到金融危機(jī)的影響，但是按照我國廢鋼資源供需情況的測算，2009年國內(nèi)廢鋼市場資源缺口仍在1000萬噸以上［14］。

2.2.2 電力短缺

由于電爐短流程煉鋼需要消耗大量的電能，充足的電力是發(fā)展電爐煉鋼的重要條件。根據(jù)國際鋼鐵工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，廢鋼—電爐煉鋼—連鑄—熱軋成形的整個流程中，每噸鋼材需耗電約1 528kW·h［15］。

美國當(dāng)初在發(fā)展電爐短流程時得益于充足的電力資源，我國過去幾年在發(fā)展短流程煉鋼的過程中，一直遭遇拉閘限電和電價(jià)過高的困擾，斷續(xù)供電和晝夜時段差價(jià)使電弧爐不能連續(xù)運(yùn)行，會降低其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)［7］。

同時，由于我國工業(yè)用電價(jià)格價(jià)格，使得電能費(fèi)用在電爐鋼加工成本中占較大比例，這也抬高了電爐煉鋼的冶煉成本。

3 發(fā)展電爐煉鋼，促進(jìn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展

3.1 電爐煉鋼對鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的意義

根據(jù)評價(jià)結(jié)果，從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，電爐煉鋼對鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義:一、電爐煉鋼主要以廢鋼為原料，減少了不可再生資源鐵礦石以及焦炭的消耗;二、從整個流程的能量消耗來看，短流程的電爐煉鋼的能量消耗水平較轉(zhuǎn)爐煉鋼的長流程要低;三、從環(huán)境排放的情況來看，電爐煉鋼過程中排放的廢棄物也較少。

傅杰認(rèn)為，以我國年產(chǎn)鋼5億噸計(jì)算，若電爐鋼比例從10%提高到25%(2020年目標(biāo)值)，則每年可節(jié)約鐵礦石0.975億噸，降低能耗0.2625億噸標(biāo)煤，減少CO2排放1.192億噸［13］。

3.2 發(fā)展我國電爐煉鋼的政策建議

雖然從目前的情況來看，我國今后一段時間內(nèi)仍然面臨廢鋼短缺的局面，但是是否要先發(fā)展轉(zhuǎn)爐流程，等廢鋼資源充足了，再大規(guī)模開建電爐煉鋼流程呢?結(jié)論是否定的。

首先，目前由于世界經(jīng)濟(jì)遭受金融危機(jī)的重創(chuàng)，鋼鐵行業(yè)也進(jìn)入深度調(diào)整期，產(chǎn)能急劇擴(kuò)張的局面已經(jīng)發(fā)生改變，我國鋼鐵行業(yè)要以此為契機(jī)，從盲目擴(kuò)張產(chǎn)能轉(zhuǎn)到提升產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，切實(shí)發(fā)展鋼鐵產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，提高產(chǎn)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)度。而且，由于需求過剩，國際廢鋼的價(jià)格也呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，這對我國廢鋼資源短缺的局面來說是一個好消息，可以大力進(jìn)口廢鋼資源，這為提升我國電爐鋼比創(chuàng)造了一個有利條件。

其次，關(guān)于我國電力資源短缺的問題，在2005－2007年表現(xiàn)得比較突出。隨著國家近年來對電力的不斷投資建設(shè)，以及在金融危機(jī)的影響下，從2008年下半年開始我國電力增長需求呈現(xiàn)大幅下降的局面。目前，我國電力供需已經(jīng)趨于平衡，因此，我們認(rèn)為電力短缺已經(jīng)不再是制約我國發(fā)展電爐煉鋼的主要因素了。

同時，新建電爐從調(diào)研、立項(xiàng)、簽訂合同到建設(shè)、投產(chǎn)、達(dá)產(chǎn)、超產(chǎn)有一個過程。據(jù)悉，我國從1993年即開始考慮第一輪投資電爐煉鋼，但是到2003年才使新增電爐潛力充分發(fā)揮出來［13］。

基于以上三個理由，從循環(huán)經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展的角度，我們建議國家開始考慮第二次投資建設(shè)電爐煉鋼流程，逐步擴(kuò)大電爐煉鋼比例，力爭到2020年，我國電爐鋼比例達(dá)到25—30%，接近世界平均水平。

同時，電爐煉鋼流程需要繼續(xù)改進(jìn)與發(fā)展，進(jìn)一步提高資源與能源的利用率，減少環(huán)境排放。同時，要控制廢鋼循環(huán)過程中有害殘存元素(銅，錫，砷，銻等)的富集問題，進(jìn)行廢鋼預(yù)處理;并對低質(zhì)廢鋼處理中的“二惡英”污染進(jìn)行控制，使其排放濃度達(dá)到安全值。真正使電爐短流程煉鋼技術(shù)成為鋼鐵生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的模式與典范。

(編輯:李琪)

［1］王明旭，楊建新.可持續(xù)技術(shù)的篩選方法與評價(jià)指標(biāo)體系［J］.科技進(jìn)步與對策，2008，accepted.

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［14］2008－2009年中國廢鋼市場研究咨詢報(bào)告［R］，摘要部分.

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AbstractThere are two kinds of the major steel-making processes now:one is converter steel-making process adopting ironstone as the main metallic raw material;the other is modern electric arc furnace steel-making adopting scrap steel as the main metallic raw material.This paper compares the sustainability of the two kinds of steel-making processes，from the perspective of sustainable technology assessment.And the assessing results show that the sustainability of electric arc furnace steel-making technology is obviously higher than the converter steel-making technology.Thus developing electric arc furnace steel-making technology is notably important for the sustainable development of steel industry in China.Then we analyze the restrictive factors of developing the electric arc furnace steelmaking process，and propose the suggestions for developing the electric arc furnace steel-making technology so as to develop circular economy of steel industry.

Key wordselectric arc furnace steel-making;assessment;sustainability

The Sustainability Assessment of Steel-making Technologies and Sustainable Development of Steel Industry

WANG Ming-xu1YANG Jian-xin2
(1.Guangdong Provincial Academy of Environmental Science，Guangzhou Guangdong 510045，China; 2.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology，Research Center for Eco-environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China)

F416.31

A

1002－2104(2010)05專－0125－04

2010-08-26

王明旭，工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境規(guī)劃與管理。

楊建新，博士，研究員，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)、環(huán)境經(jīng)濟(jì)與環(huán)境管理。

*國家973項(xiàng)目(No.:2005CB724206)，國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(No.:200809025)資助。